綜合磁翻柱液位計在高速公路巖溶路基勘察中的應用分析
返回列表發布日期：2019-11-04 17:18:20 |
摘 要：工程物探作為公路勘察的一種輔助手段，在巖溶路基探測中發揮的優勢更加突出。文章結合工程實例，選用超高密度電法和地震映像法對現場進行探測，查明了測區的巖溶發育情況和分布范圍，結合鉆探驗證，有效地完成了巖溶勘察任務，為路基設計施工提供了科學依據。實踐表明，結合現場地形地貌條件，選擇兩種或以上合適的磁翻柱液位計進行綜合分析，可使勘察結果更加準確、高效、經濟。
引言
伴隨著我國經濟社會的快速發展，高速公路等基礎設施的建設迎來了新的熱潮，尤其是在急需脫貧致富的西南部地區。這些地區廣泛分布著一種地貌———喀斯特地貌，該地貌區易形成溶洞、溶槽、落水洞、地下河等巖溶形態。這些巖溶問題對高速公路路基將會造成諸多不良影響，主要體現 在［１－２］
（１）巖溶形態會造成基
巖面起伏程度大，導致上覆地基壓縮不均，隨著車載震動等影響，可能引發路基不均勻沉降、路面開裂等現象；
（２）局部隱伏巖溶規模較大，如果路基未經過處理，將導致地基承載力不足，受上部荷載或震動影響，可能引發巖溶地面塌陷等災害。因而高效準確地查明路基隱伏巖溶發育情況，對高速公路設計、施工以及運營的合理性和安全性具有重要意義。
工程物探作為高速公路勘察的一種輔助手段，在巖溶路基勘察中表現出突出的優勢。巖溶路基探測中常用的磁翻柱液位計有高密度電法［３］、淺層地震法［４］、地質雷達法［５］等。然而磁翻柱液位計均具有主觀多解性，只有結合現場地形地貌條件，選擇適合開展工作的兩種或兩種以上的方法，綜合解釋分析，方能查明巖溶發育情況，提高勘察效率，降低經濟成本。本文針對 廣 西 某高速公路 Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段巖溶路基勘察實例，根據現場地形地貌條件，采用超高密度電法和地震映像法兩種方法相結合的綜合磁翻柱液位計，通過兩種解釋結果與鉆探結果的驗證對比，綜合查明了路基區巖溶分布范圍和發育情況。
１ 相關工程磁翻柱液位計原理
１．１ 超高密度電法［６］
超高密度電阻率法在原理上仍屬電阻率法的范疇，因而其視電阻率的計算原理與常規電阻率法相同。但與常規電阻率法相比，該方法布置的測點密度遠遠大于常規電阻率法，因此可獲得的數據量遠多于常規電阻率法，從中得出的地質信息則更加豐富。同 時，由于超高密度電阻率法通過電極轉換器可實現按照設定的相關排列自動跑極。常用的溫納排列（α）和偶極排列（β）如圖１所示。在一次排列中同步進行電剖面和電測深數據的快速采集，并可在現場進行數據的實時處理，完全改變了傳統電法勘探的工作方式，可以減輕勞動強度，因而極大提高了效率。
１．２ 地震映像法［７］
地震映像法是在最佳偏移距技術的反射波法的基礎上發展而來的一種常用淺層地震勘探方法。該方法通常在最佳窗口內選擇一個恰當的偏移距，多次按照相同的點距同步移動激發點和接收點，通過記錄有效地震波的波形，從而可得出一條地震映像時間剖面，根據剖面波形特征來判定地質體水平和垂向上的變化信息。其工作原理見圖２，其中反射波、繞射波、面波、折射波均可以作為地震映像法中的有效波形。由于激發和接收條件保持不變，如果地質介質條件不變，在地震映像時間剖面上根據有效波得出的同相軸應該為直線。如果地質介質條件發生變化，如遇到溶洞等，其同相軸則出現錯段，或出現弧形 等 特 征。總之在合適的偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，得出的地震映像時間剖面表現出的波形簡單直觀，便于判別分析。
２ 工程實例分析
２．１ 工程概況
廣西某擬建高速公路Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段屬巖溶洼地 谷 地，整體地形起伏變化較大，呈“Ｕ”型 特征，兩側為山峰，中間夾谷地，巖質山 峰 凸 起，基 巖 出露，石芽突出，坡 度１０°～５０°，谷地堆積少量覆蓋層，主要為第四系黏土層，坡度＜１０°，基巖為石炭系上統（Ｃ３）的灰巖。測區巖溶發育，根據地質調繪，地 表 發育有多處地下水出口以及落水洞等巖溶形態，初步推斷可能存在地下巖溶通道或暗河等。故需要進一步查明該路段隱伏巖溶發育情況和分布范圍，為路基設計提供可靠的地質依據。
２．２ 巖溶發育及探測物性特征
探測路段走向大約為南北向，測區內北部有一人工水塘，勘察期間其中水深較淺，約０．５～１．５ｍ。在Ｋ４０＋０４０～Ｋ４０＋０８０左側發現有４處地下水排泄出口，主要形態為巖溶裂縫，勘察期間為枯水期，僅一處有水流出，流 向 上 述 的 北 部 魚 塘。另 外 在 Ｋ４０＋１６０右側１０ｍ發 育 有 一 處 落 水 洞，洞 徑 約１．５ｍ，深 度 不詳，起消水作用。測區內巖溶多為構造裂隙型和管道型，巖溶發育強烈，局部存在規模較大的巖溶形態。測區內第四系覆蓋層與基巖、巖 溶 體（充 填 物 或未充填、含水率高低）與其周邊巖土體間均存在明顯的電性差異和彈性波波速差異，可形成明顯的電性特征界面及波速特征界面，為該區開展超高密度電法勘察和地震映像勘察提供了良好的地球物理前提。測區典型物性參數見表１。
２．３ 現場探測方案
本次超高密度電法勘探采用的是 ＷＧＭＤ－９超高密度電法測量系統。該儀器由重慶奔騰研究所生產，分別沿線路中線、路基兩邊線平行布置３條測 線排列，間 距 約１３ｍ，每排列布置電極數 ６０ 個，點 距３ｍ，最大測量層數為１９層，最大ＡＢ／２＝９４．５ｍ。本次地震映像法探測儀器采用德國 ＤＭＴ公司生產的ＳｕｍｍｉｔⅡｐｌｕｓ型 地 震 儀。根據現場地形條件，沿線路中線布置１條縱向測線，參考現場試驗，采用 單次激發、單道接受的方式，測量時點距１ｍ，偏移 距 為１０ｍ，使用７０ｋｇ落錘激發。
２．４ 資料處理與分析
２．４．１ 超高密度電法
本次超高密度電法數據采用ＲＥＳ２ＤＩＮＶ高密度電法反演軟件進行處理。首先進行壞點刪除，保證數據的質量；接著導入地形數據，作地形校正；然后進行格式轉換及選擇合適的反演參數和反演方法進行反演計算等步驟；最終形成電阻率等值線圖。典型剖面見圖３。通常情況下，巖溶發育形態如充填溶洞、溶蝕 裂隙帶在電阻率等值線圖上相對于周邊巖土體表現為低阻異常，視電阻率 突 變（變 小），且 呈“Ｖ”“Ｕ”或“Ｏ”形等低阻形態。
由圖２可以看出，Ｌ２測線８４～９４ｍ處，出現電阻率低阻異常，呈“Ｕ”形特征，推斷為巖溶發育區，主要發育溶蝕裂隙、溶洞等。根據現場調查，可能 洞 頂 高程約３４４ｍ，洞底高程約３４１ｍ，為巖溶通道組成部分。Ｌ２測線１３６～１４８ｍ處，出現豎向低阻異常，推斷為大規模溶蝕裂隙帶或斷層帶。
２．４．２ 地震映像法
本次地震映像法數據處理采用 ＧｅｏｇｉｇａＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏ專業地震勘探軟件進行靜校正、道 均 衡、一 維 濾波、二維濾波、反褶積、去噪等處理步 驟，最 終 得 出 地震映像時間剖面圖。需要注意的是在數據處理過程中不需要進行動校正這一步驟，既節省了數據處理的時間，又減少了數據處理產生的人工誤差。本工程典型地質映像時間剖面見圖４。一 般 巖 溶 在 地 震 映 像時間剖面圖中主要表現為同相軸錯亂、產生繞射波、頻率變低等形態。
由圖４可 看 出，ＹＸ２測 線９ ～１１ｍ、１４～１８ｍ、２７～３２ｍ處地震波同相軸表現錯亂，頻 率 變 低 異 常，推斷為巖溶發育區，主要發育形態為溶蝕裂隙或小溶洞等。結合現場踏勘推斷，這幾處異常區與地表發育的４處地下水出口組成巖溶通道，埋深約２．５ｍ。
按照上述數據處理方法以及解釋準則，將超高密度電法和地震映像法所得結果疊加起來綜合分析，以兩者重合區作為重點異常區，圈定出探測區的隱伏巖溶異常區。根據物探推斷結果在測區布置有３個驗證鉆孔，根據鉆孔資料，鉆孔 ＺＫ３在物探圈定的異常深度處遇到溶洞；鉆孔 ＺＫ１、ＺＫ２在物探圈定異常區，巖芯節理裂隙發育，部分存在溶蝕現象，與綜合物探推斷結果基本一致。
３ 結語
（１）本次綜合磁翻柱液位計從不同物性角度對探測成果作出了貢獻：超高密度電法根據巖層電阻率差異分辨出巖溶形態；地震映像勘探根據不連續波組反射現象判定巖溶發育特征。兩者優勢互補，相 互 佐 證，查明了測區的巖溶發育情況和分布范圍等，有效地完成了巖溶勘察任務，為路基設計施工提供了科學依據，表現出成本低、效率高的特點。
（２）地球物理探測方法具有多解性，而且對于不同的地形地貌和地質條件，不同的磁翻柱液位計均存在各自的優勢和局限性，在探測深度和精度上也體現出明顯的差異。實踐證明，結合現場條件，選擇兩種或兩種以上適合的物探手段的綜合勘探方法，可使勘察結果更加準確、高效、經濟。
引言
伴隨著我國經濟社會的快速發展，高速公路等基礎設施的建設迎來了新的熱潮，尤其是在急需脫貧致富的西南部地區。這些地區廣泛分布著一種地貌———喀斯特地貌，該地貌區易形成溶洞、溶槽、落水洞、地下河等巖溶形態。這些巖溶問題對高速公路路基將會造成諸多不良影響，主要體現 在［１－２］
（１）巖溶形態會造成基
巖面起伏程度大，導致上覆地基壓縮不均，隨著車載震動等影響，可能引發路基不均勻沉降、路面開裂等現象；
（２）局部隱伏巖溶規模較大，如果路基未經過處理，將導致地基承載力不足，受上部荷載或震動影響，可能引發巖溶地面塌陷等災害。因而高效準確地查明路基隱伏巖溶發育情況，對高速公路設計、施工以及運營的合理性和安全性具有重要意義。
工程物探作為高速公路勘察的一種輔助手段，在巖溶路基勘察中表現出突出的優勢。巖溶路基探測中常用的磁翻柱液位計有高密度電法［３］、淺層地震法［４］、地質雷達法［５］等。然而磁翻柱液位計均具有主觀多解性，只有結合現場地形地貌條件，選擇適合開展工作的兩種或兩種以上的方法，綜合解釋分析，方能查明巖溶發育情況，提高勘察效率，降低經濟成本。本文針對 廣 西 某高速公路 Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段巖溶路基勘察實例，根據現場地形地貌條件，采用超高密度電法和地震映像法兩種方法相結合的綜合磁翻柱液位計，通過兩種解釋結果與鉆探結果的驗證對比，綜合查明了路基區巖溶分布范圍和發育情況。
１ 相關工程磁翻柱液位計原理
１．１ 超高密度電法［６］
超高密度電阻率法在原理上仍屬電阻率法的范疇，因而其視電阻率的計算原理與常規電阻率法相同。但與常規電阻率法相比，該方法布置的測點密度遠遠大于常規電阻率法，因此可獲得的數據量遠多于常規電阻率法，從中得出的地質信息則更加豐富。同 時，由于超高密度電阻率法通過電極轉換器可實現按照設定的相關排列自動跑極。常用的溫納排列（α）和偶極排列（β）如圖１所示。在一次排列中同步進行電剖面和電測深數據的快速采集，并可在現場進行數據的實時處理，完全改變了傳統電法勘探的工作方式，可以減輕勞動強度，因而極大提高了效率。
地震映像法是在最佳偏移距技術的反射波法的基礎上發展而來的一種常用淺層地震勘探方法。該方法通常在最佳窗口內選擇一個恰當的偏移距，多次按照相同的點距同步移動激發點和接收點，通過記錄有效地震波的波形，從而可得出一條地震映像時間剖面，根據剖面波形特征來判定地質體水平和垂向上的變化信息。其工作原理見圖２，其中反射波、繞射波、面波、折射波均可以作為地震映像法中的有效波形。由于激發和接收條件保持不變，如果地質介質條件不變，在地震映像時間剖面上根據有效波得出的同相軸應該為直線。如果地質介質條件發生變化，如遇到溶洞等，其同相軸則出現錯段，或出現弧形 等 特 征。總之在合適的偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，得出的地震映像時間剖面表現出的波形簡單直觀，便于判別分析。
２．１ 工程概況
廣西某擬建高速公路Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段屬巖溶洼地 谷 地，整體地形起伏變化較大，呈“Ｕ”型 特征，兩側為山峰，中間夾谷地，巖質山 峰 凸 起，基 巖 出露，石芽突出，坡 度１０°～５０°，谷地堆積少量覆蓋層，主要為第四系黏土層，坡度＜１０°，基巖為石炭系上統（Ｃ３）的灰巖。測區巖溶發育，根據地質調繪，地 表 發育有多處地下水出口以及落水洞等巖溶形態，初步推斷可能存在地下巖溶通道或暗河等。故需要進一步查明該路段隱伏巖溶發育情況和分布范圍，為路基設計提供可靠的地質依據。
２．２ 巖溶發育及探測物性特征
探測路段走向大約為南北向，測區內北部有一人工水塘，勘察期間其中水深較淺，約０．５～１．５ｍ。在Ｋ４０＋０４０～Ｋ４０＋０８０左側發現有４處地下水排泄出口，主要形態為巖溶裂縫，勘察期間為枯水期，僅一處有水流出，流 向 上 述 的 北 部 魚 塘。另 外 在 Ｋ４０＋１６０右側１０ｍ發 育 有 一 處 落 水 洞，洞 徑 約１．５ｍ，深 度 不詳，起消水作用。測區內巖溶多為構造裂隙型和管道型，巖溶發育強烈，局部存在規模較大的巖溶形態。測區內第四系覆蓋層與基巖、巖 溶 體（充 填 物 或未充填、含水率高低）與其周邊巖土體間均存在明顯的電性差異和彈性波波速差異，可形成明顯的電性特征界面及波速特征界面，為該區開展超高密度電法勘察和地震映像勘察提供了良好的地球物理前提。測區典型物性參數見表１。
本次超高密度電法勘探采用的是 ＷＧＭＤ－９超高密度電法測量系統。該儀器由重慶奔騰研究所生產，分別沿線路中線、路基兩邊線平行布置３條測 線排列，間 距 約１３ｍ，每排列布置電極數 ６０ 個，點 距３ｍ，最大測量層數為１９層，最大ＡＢ／２＝９４．５ｍ。本次地震映像法探測儀器采用德國 ＤＭＴ公司生產的ＳｕｍｍｉｔⅡｐｌｕｓ型 地 震 儀。根據現場地形條件，沿線路中線布置１條縱向測線，參考現場試驗，采用 單次激發、單道接受的方式，測量時點距１ｍ，偏移 距 為１０ｍ，使用７０ｋｇ落錘激發。
２．４ 資料處理與分析
２．４．１ 超高密度電法
本次超高密度電法數據采用ＲＥＳ２ＤＩＮＶ高密度電法反演軟件進行處理。首先進行壞點刪除，保證數據的質量；接著導入地形數據，作地形校正；然后進行格式轉換及選擇合適的反演參數和反演方法進行反演計算等步驟；最終形成電阻率等值線圖。典型剖面見圖３。通常情況下，巖溶發育形態如充填溶洞、溶蝕 裂隙帶在電阻率等值線圖上相對于周邊巖土體表現為低阻異常，視電阻率 突 變（變 小），且 呈“Ｖ”“Ｕ”或“Ｏ”形等低阻形態。
２．４．２ 地震映像法
本次地震映像法數據處理采用 ＧｅｏｇｉｇａＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏ專業地震勘探軟件進行靜校正、道 均 衡、一 維 濾波、二維濾波、反褶積、去噪等處理步 驟，最 終 得 出 地震映像時間剖面圖。需要注意的是在數據處理過程中不需要進行動校正這一步驟，既節省了數據處理的時間，又減少了數據處理產生的人工誤差。本工程典型地質映像時間剖面見圖４。一 般 巖 溶 在 地 震 映 像時間剖面圖中主要表現為同相軸錯亂、產生繞射波、頻率變低等形態。
按照上述數據處理方法以及解釋準則，將超高密度電法和地震映像法所得結果疊加起來綜合分析，以兩者重合區作為重點異常區，圈定出探測區的隱伏巖溶異常區。根據物探推斷結果在測區布置有３個驗證鉆孔，根據鉆孔資料，鉆孔 ＺＫ３在物探圈定的異常深度處遇到溶洞；鉆孔 ＺＫ１、ＺＫ２在物探圈定異常區，巖芯節理裂隙發育，部分存在溶蝕現象，與綜合物探推斷結果基本一致。
３ 結語
（１）本次綜合磁翻柱液位計從不同物性角度對探測成果作出了貢獻：超高密度電法根據巖層電阻率差異分辨出巖溶形態；地震映像勘探根據不連續波組反射現象判定巖溶發育特征。兩者優勢互補，相 互 佐 證，查明了測區的巖溶發育情況和分布范圍等，有效地完成了巖溶勘察任務，為路基設計施工提供了科學依據，表現出成本低、效率高的特點。
（２）地球物理探測方法具有多解性，而且對于不同的地形地貌和地質條件，不同的磁翻柱液位計均存在各自的優勢和局限性，在探測深度和精度上也體現出明顯的差異。實踐證明，結合現場條件，選擇兩種或兩種以上適合的物探手段的綜合勘探方法，可使勘察結果更加準確、高效、經濟。